DE4313395A1 - Planarantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Planarantenne mit zu einem Antennenarray zusammengeschalteten Strahlerelementen.

Derartige Planarantennen sind beispielsweise aus der GB-A-2 242 313, der EP-A-0 363 841, oder aus Electronics Letters, Vol. 18, No. 14, Seiten 624, 625 bekannt. Diese Planarantennen bestehen aus einer festen Anzahl zusammen­ geschalteter Strahlerelemente oder Elementarantennen. Eine derartige Antenne besitzt eine bestimmte Richtcha­ rakteristik und führt in Abhängigkeit von der Anregung der Elementarstrahler bei Verwendung der Antenne als Emp­ fangsantenne zu einem meßbaren Gewinn, der durch Vergrö­ ßerung der Apertur dieser Antenne, d. h. durch eine Erhö­ hung der Anzahl der Strahlerelemente erhöht werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Planaran­ tenne zu schaffen, mit der auf einfache Weise das Richt­ diagramm der Planarantenne, d. h. die Empfangscharakteri­ stik der als Empfangsantenne verwendeten Planarantenne bzw. die Abstrahlcharakteristik einer als Empfangsantenne verwendeten Planarantenne auf einfache Weise veränderbar und an die Wünsche und Gegebenheiten anpaßbar ist.

Ausgehend von den eingangs genannten herkömmlichen Planarantennen wird diese Aufgabe durch wenigstens einen transparenten Schirm gelöst, der über wenigstens einem Strahlerelement angeordnet ist.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines transparenten Schirms in Zusammenhang mit einer herkömmlichen Planaran­ tenne ist es möglich, abgestrahlte bzw. empfangene elek­ tromagnetische Wellen je nach den Phasenverhalten der durch den transparenten Schirm transmittierten Welle zu fokussieren oder zu defokussieren. Dadurch ergibt sich z. B. eine zum Rand der Apertur hin vor- oder nacheilende Phase, wodurch die Richtcharakteristik verändert wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Merkmal ist es daher möglich, den Antennengewinn zu erhöhen, Nebenzipfel des Strah­ lungsdiagramms zu unterdrücken oder bei planaren Anten­ nenarrays einen gewünschten und ggf. bereits vorhandenen Schieleffekt zu unterstützen bzw. zu verstärken.

Darüberhinaus wirken transparente Schirme frequenzselek­ tiv, so daß derartige transparente Schirme auch dazu ein­ gesetzt werden können, störende Signale aus benachbarten Frequenzbändern bei Verwendung der Antenne als Empfangs­ antenne zu unterdrücken, bevor diese störenden Signale die eigentliche Antenne überhaupt erreichen. Eine derar­ tige Störunterdrückung vor Einkopplung des Empfangssig­ nals in einen Wellenleiter, sei es mit Hilfe eines Fang- oder Hauptreflektor, ist mit einem derartigen, als frequenzselektive Oberfläche wirkenden transparenten Schirm auf einfache Weise möglich.

Der transparente Schirm weist vorzugsweise passive Streu­ elemente auf, die gemäß bevorzugter Ausführungsformen in Schleifenform, insbesondere ringförmig, zweidimensional, symmetrisch und/oder in Form von quadratischen Rahmen aus­ gebildet sind. Quadratische Rahmen oder Ringe, etwa kon­ zentrische Ringe, sind im wesentlichen polarisa­ tionsunabhängig. Jedoch auch polarisationssensitive Streuelemente wie magnetische Dipole, sind ebenfalls als passive Streuelemente auf vorteilhafte Weise verwendbar.

Vorzugsweise ist der transparente Schirm bzw. sind die passiven Streuelemente in bzw. auf einer metallischen Fläche ausgebildet, die Aussparungen aufweist. Vorzugs­ weise sind die Aussparungen, mit denen die passiven Streuelemente gebildet werden, in ein Blech, beispiels­ weise ein Kupferblech gestanzt. Die passiven Streuele­ mente weisen dabei ein Transmissionsverhalten im ge­ wünschten Nutzfrequenzband auf.

Alternativ können die passiven Streuelemente des transpa­ renten Schirms auch durch elektrisch leitende Bereiche ausgebildet sein, die auf einer dielektrischen Schicht aufgebracht sind. Auch hier wieder sind diese passiven Streuelemente resonant, derart, daß sie im Nutzfrequenz­ bereich für die einfallende oder abgestrahlte Welle transparent sind.

Die passiven Streuelemente, die durch derartige elek­ trisch leitende, resonante Strukturen gebildet werden, weisen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gleiche Abmessungen auf. Vorzugsweise wiederholen sie sich ein- bzw. zweifach periodisch.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform, än­ dern sich jedoch die Abmessungen der passiven Streuele­ mente des transparenten Schirms lageabhängig, so daß die Anordnung der passiven Streuelemente auf dem transparen­ ten Schirm von einer ein- oder zweidimensionalen Periodi­ zität abweicht, und die Abmessungen eine Funktion des Or­ tes sind, an dem sich das jeweilige passive Streuelement auf dem transparenten Schirm befindet.

Die passiven Streuelemente sind gemäß einer Ausführungs­ form der Erfindung bezüglich der Strahlerelemente zen­ triert angeordnet. Sie befinden sich daher aufgrund ihrer Zentrierung oberhalb der Antennenelemente im Nahfeld in der Ausbreitungsrichtung der Welle.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die passiven Streuelemente jedoch bezüg­ lich der Strahlerelemente versetzt angeordnet.

Üblicherweise ist die Hauptstrahlrichtung einer Planaran­ tenne senkrecht zur Antennenfläche bzw. zur Apertur. Es ist jedoch in vielen Fällen vorteilhaft, einen Winkel zwischen der Flächennormalen der Planarantenne und der Hauptstrahlrichtung, also einen Offsetwinkel, vorzusehen. Ein solcher Offsetwinkel ist vorzugsweise durch Steuerung der komplexen Anregung der Strahlerelemente nach Betrag und/oder Phase einstellbar, beispielsweise durch die Wahl der Leitungsführung zwischen den Strahlerelemente und/oder der Anschluß-Leitungsführung der Planarantenne und/oder durch die Wahl des Abstandes zwischen den Strahlerelementen untereinander. Um insofern. Wiederholun­ gen zu vermeiden, wird auf die dasselbe Anmeldedatum be­ sitzende DE-A- . . . . verwiesen, die insofern zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.

Wird der Offsetwinkel zwischen der Flächennormalen der Planarantenne und der Hauptstrahlrichtung jedoch zu groß, nimmt der Antennengewinn ab, da die Hauptstrahlrichtung eines Strahlerelements bzw. eines Einzelstrahlers eben­ falls in der Flächennormalen der Planarantenne liegt. Da sich der Antennengewinn aus der Superposition der Richt­ charakteristik des Strahlerelements einerseits und der Gruppencharakteristik des Antennenarrays andererseits er­ gibt, ist es durch Verwendung eines transparenten Schirms möglich, die aufgrund des in Offsetwinkels eintretende Verringerung des Gewichts durch Ändern der Richtcharakte­ ristik des Einzelelements zu verändern. Dies läßt sich insbesondere durch die sehr vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung erreichen, bei der wenigstens ein passives Streuelement gegenüber dem Strahlerelement, über dem es angeordnet ist, versetzt ist. Im Nutzfrequenzband bewirkt das passive Streuelement durch elektromagnetische Ver­ kopplung mit dem unter ihm befindlichen Strahlerelement eine Ablenkung der Einfalls- bzw. Abstrahlrichtung aus der Flächennormalen der Planarantenne. Die Verwendung ei­ ner Mehrzahl solcher passiver Streuelemente auf einem transparenten Schirm mit Versatz unterstützt den durch die Gruppencharakteristik erzeugten Schieleffekt planarer Antennen. Insbesondere bei derartigen, schielenden Anten­ nen wird der Antennengewinn durch diese besonders vor­ teilhafte Ausführungsform der Erfindung wesentlich ver­ bessert. Antennen mit einer geringen Anzahl von Elementen (Apertur kleiner wenige Lambda) erfahren durch den Ver­ satz eine Strahlablenkung, die durch die höhere Gewich­ tung der Einzelcharakteristik entsteht und eine deutliche Richtungsänderung des Welleneinfalls bzw. der Abstrahlung bewirkt.

Die Vorteile der Erfindung lassen sich dadurch weiter verbessern, indem mehrere transparente Schirm übereinan­ der angeordnet sind. Dadurch wird die Bündelung und der Antennengewinn noch weiter gesteigert. Die transparenten Schirme können dabei vorzugsweise als Multilayer-Struktu­ ren ausgebildet sein, wodurch der Streueffekt erhöht und dadurch beispielsweise die Bündelung verbessert wird. Die Multilayer-Struktur kann in Zusammenhang mit einer Plana­ rantenne auch die Antennenstruktur selbst, d. h. die Strahlerelemente umfassen, so daß sich eine hoch inte­ grierte, kostengünstig herstellbare Planarantenne ergibt.

Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich die Resonanzfrequenz einzelner Elemente des transparenten Schirms von der Re­ sonanzfrequenz der Planarantenne bzw. der Strahlerele­ mente um eine Frequenzdifferenz Δf. Bei einer leichten, ortsabhängigen Verschiebung der Resonanzfrequenz der pas­ siven Streuelemente bzw. Strahler im transparenten Schirm ändert sich ebenfalls ortsabhängig die Phase einer trans­ mittierten Welle, die eine Frequenz f aufweist, etwa pro­ portional der Verstimmung Δf. Diese Verstimmung bzw. die Frequenzdifferenz erfolgt vorzugsweise durch Änderung der Abmessungen der passiven Streuelemente des transparenten Schirms bzw. der transparenten Schirme. Vorteilhaft ist es dabei, die Verstimmung der passiven Streuelemente, wenn diese als quadratische Rahmen oder konzentrische Ringe vorliegen, durch Umfangsänderungen herbeizuführen. Die Phasenänderung kann jedoch auch oder zusätzlich durch Änderung der elektromagnetischen Verkopplung der passiven Streuelemente untereinander erfolgen, was vorzugsweise durch vergrößerte Abstände der passiven Streuelemente un­ tereinander realisierbar ist.

Alternativ oder zusätzlich zu einer Frequenzdifferenz ist es vorteilhaft, wenn sich die Phase des transparenten Schirms von der Phase des Strahlerelements um eine Pha­ sendifferenz Δζ unterscheidet. Die Phasendifferenz wird dabei vorzugsweise durch eine Änderung der elektromagne­ tischen Verkopplung der passiven Streuelemente oder mit den Strahlerelementen hervorgerufen.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen der vorliegenden Erfin­ dung sind insbesondere in Zusammenhang mit Planarantennen bzw. Wellenleitersystemen einsetzbar, die in den DE-A- . . . . . und . . . . . mit selben Anmeldedatum beschrieben sind. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Merkmale ist jedoch nicht nur auf Planarantennen beschränkt. Vielmehr ist es auch möglich, Yagi-Antennen oder Mikrowellenanten­ nen aller Art in der beschriebenen Weise zu verbessern.

Unter dem Begriff Planarantenne ist nicht nur eine ebene Anordnung, sondern eine flächenhafte, gewölbte, sphäri­ sche oder zylindrische Anordnung bzw. auf einer sphäri­ schen, gewölbten oder zylindrischen Oberfläche ausgebil­ dete Antennenanordnung zu verstehen. Die Besonderheit ei­ ner Planarantenne ist darin begründet, daß direkt oder elektromagnetisch verkoppelte Strahlerelemente bzw. Ein­ zel- oder Elementarstrahler flächenhaft angeordnet sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung einer Planaran­ tenne mit einem transparenten Schirm in per­ spektivischer Schemadarstellung;

Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Planarantenne mit zwei übereinander angeordne­ ten, transparenten Schirmen;

Fig. 3 eine perspektive Schemadarstellung einer Aus­ führungsform, bei der die passiven Streuele­ mente des transparenten Schirms zu den Strahle­ relementen der Planarantenne versetzt angeord­ net sind;

Fig. 4 ein Frequenz-Gewinn-Diagramm zur Erläuterung der in Fig. 3 dargestellten Anordnung;

Fig. 5 ein Frequenz-Phasen-Diagramm zur Erläuterung der in Fig. 3 dargestellten Anordnung.

Fig. 1 zeigt die perspektivische Ansicht einer erfin­ dungsgemäßen Planarantenne in schematischer Darstellung. Über einem Substratträger 1 mit Strahlerelementen 2 ist ein transparenter Schirm 3 geringer Dicke in einem vorge­ gebenen Abstand a in einer parallelen Ebene angeordnet. Der transparente Schirm 3 weist passive Streuelemente 4 in periodischer Folge auf, die bezüglich der darunterlie­ genden Strahlerelemente 2 zentriert sind. Der transpa­ rente Schirm 3 ist im vorliegende Fall ein dünnes Sub­ strat, auf das die passiven Streuelemente 4 in Form von quadratischen Schleifen aus Kupfer aufgebracht sind. Wie durch den Teil 5 angedeutet ist, fällt die Welle senk­ recht auf die Arrayebene der Planarantenne ein bzw. wird senkrecht von ihr abgestrahlt.

Die Anordnung und Verkopplung der Strahlerelemente 2 auf dem Substratträger 1 ist nicht Gegenstand der vorliegen­ den Erfindung und wird daher nicht im einzelnen erläu­ tert. Es wird vielmehr Bezug genommen auf die dasselbe Anmeldedatum aufweisenden DE-A . . . . . und . . . . . , die insofern zum Inhalt der vorliegenden Unterlagen gemacht werden.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Planarantenne, die sich von der in Fig. 1 dargestellten Planarantenne lediglich dadurch unterscheidet, daß zu­ sätzlich zum transparenten Schirm 3 zwei weitere transpa­ rente Schirme 6, 7 mit entsprechenden passiven Streuele­ menten 9 angeordnet sind. Auch hier sind die jeweiligen passiven Streuelemente 4, 8, 9 der übereinander angeord­ neten transparenten Schirme 3, 6, 7 bezüglich der Strah­ lerelemente 2 zentriert angeordnet und die Welle fällt senkrecht auf die Planarantenne ein bzw. wird senkrecht von ihr abgestrahlt, wie dies durch den Pfeil 5 angedeu­ tet ist.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten Aus­ führungsform dadurch, daß die passiven Streuelemente 4 des transparenten Schirms 3 gegenüber den Strahlerelemen­ ten 2 auf dem Trägersubstrat 1 in Y-Richtung versetzt an­ geordnet sind. Die Haupt-Einfall- bzw. Abstrahlrichtung 10 schließt daher mit der Flächennormalen 11 der Planar­ antenne einen Offsetwinkel α ein.

In Fig. 4 ist zur Erläuterung von Fig. 3 ein Diagramm dargestellt, auf dessen Abszisse die Frequenz und auf dessen Ordinate der Gewinn aufgetragen ist. Wie zuvor ausgeführt wurde, ergibt sich durch die Einstellung eines Offsetwinkels α, d. h. eines Winkels zwischen der Flächennormalen 11 der Planarantenne und der Abstrahl­ richtung 10 der Antennenanordnung selbst ein Gewinnver­ lust. Durch bewußtes Verschieben der Resonanzfrequenz des transparenten Schirms um diese Frequenzdifferenz Δf ge­ langt man wiederum in den optimalen Antennengewinnbe­ reich, so daß der Gewinnverlust aufgrund des Offsetwin­ kels α der Antennenanordnung durch den Versatz des trans­ parenten Schirms 3 bzw. dessen passive Streuelemente 4, d. h. durch die erfolgte Frequenzverschiebung um die Fre­ quenzdifferenz Δf, kompensiert wird.

Fig. 5 zeigt den Phasenverlauf in Abhängigkeit der Si­ gnalfrequenz. Eine Phasendifferenz Δζ, die ebenfalls durch Versatz der passiven Streuelemente 4 gegenüber dem Strahlerelement 2 entsteht, kann auf oben beschriebene Weise kompensiert werden, so daß Antennengewinn und Richtdiagramm optimiert werden.

Die Erfindung wurde anhand bevorzugter Ausführungsbei­ spiele erläutert. Dem Fachmann sind jedoch Abwandlungen und Ausgestaltungen möglich, ohne daß dadurch der Erfin­ dungsgedanke verlassen wird. So lassen sich die erfin­ dungsgemäßen Merkmale nicht nur in Zusammenhang mit Planarantennen, sondern allgemein in Zusammenhang mit Mi­ krowellenantennen oder Yagi-Antennen, sei es im Rundfunk- oder Fernsehübertragungswesen, anwenden. Die Antenne bzw. die transparenten Schirme brauchen nicht nur zweidimen­ sional ausgebildet sein, sie können auch eine dreidimen­ sionale Ausbildung aufweisen.

Claims (22)

1. Planarantenne mit zu einem Antennenarray zusammenge­ schalteten Strahlerelementen, gekennzeichnet durch wenig­ stens einen transparenten Schirm (3), der über wenigstens einem Strahlerelement (2) angeordnet ist.

2. Planarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der transparente Schirm (3, 6, 7) passive Streu­ elemente (4, 8, 9) aufweist.

3. Planarantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die passiven Streuelemente (4, 8, 9) in Schleifenform ausgebildet sind.

4. Planarantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die passiven Streuele­ mente (4, 8, 9) ringförmig sind.

5. Planarantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die passiven Streuele­ mente (4, 8, 9) zweidimensional symmetrisch sind.

6. Planarantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die passiven Streuele­ mente (4, 8, 9) in Form von quadratischen Rahmen ausge­ bildet sind.

7. Planarantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die passiven Streuele­ mente (4, 8, 9) in bzw. auf einer metallischen Fläche ausgebildet sind, die Aussparungen aufweist.

8. Planarantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die passiven Streuele­ mente (4, 8, 9) mittels auf einer dielektrischen Schicht aufgebrachten elektrisch leitenden Bereichen ausgebildet sind.

9. Planarantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die passiven Streuele­ mente (4, 8, 9) gleiche Abmessungen aufweisen.

10. Planarantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die passiven Streuele­ mente (4, 8, 9) sich periodisch wiederholen.

11. Planarantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der pas­ siven Streuelemente (4, 8, 9) in Abhängigkeit ihrer räum­ lichen Anordnung in der Ebene des transparenten Schirms (3, 6, 7) unterschiedlich sind.

12. Planarantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die passiven Streuele­ mente (4, 8, 9) bezüglich der Strahlerelemente (2) zen­ triert angeordnet sind.

13. Planarantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die passiven Streuele­ mente (4, 8, 9) bezüglich der Strahlerelemente (2) ver­ setzt angeordnet sind.

14. Planarantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei transpa­ rente Schirme (3, 8, 9) übereinander angeordnet sind (Fig. 2).

15. Planarantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Schirm (3) bzw. die transparenten Schirme (3, 6, 7) als Multi­ layer-Struktur aufgebaut ist bzw. sind.

16. Planarantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Resonanzfre­ quenz des transparenten Schirms (3, 6, 7) von der Reso­ nanzfrequenz der Strahlerelemente (2) um eine Frequenz­ differenz Δf unterscheidet.

17. Planarantenne nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß die Frequenzdifferenz Δf durch Änderung der Ab­ messungen der passiven Streuelemente (4, 8, 9) erfolgt.

18. Planarantenne nach Anspruch 16 oder 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Frequenzdifferenz durch Änderung des Umfangs der passiven Streuelemente (4, 8, 9) erfolgt.

19. Planarantenne nach Anspruch 16 oder 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Frequenzdifferenz durch Änderung der Abstände der passiven Streuelemente (4, 8, 9) er­ folgt.

20. Planarantenne nach Anspruch 16 oder 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die Phase des transparenten Schirms (3) von der Phase der Strahlerelemente (2) um eine Phasendifferenz Δζ unterscheidet.

21. Planarantenne nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich­ net, daß die Phasendifferenz Δζ durch eine Änderung der elektromagnetischen Verkopplung der passiven Streuele­ mente (4, 8, 9) untereinander erfolgt.

22. Planarantenne nach Anspruch 20 oder 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Phasenänderung Δζ durch Änderung der Abstände der passiven Streuelemente (4, 8, 9) zuein­ ander erfolgt.